Oberschwingungsanalyse und Untersuchungen zur Netzqualität in der Zeitbereichssimulation

Wichtigste Erkenntnisse

• • Die Zeitbereichssimulation zeigt, wie Oberschwingungsströme unter realen Betriebsbedingungen zu einer Verzerrung der Sammelschienenspannung führen.

  • Modellgrenzen, Speiseimpedanz, Schaltdetails und Analysefenster beeinflussen die Aussagekraft der Ergebnisse zur harmonischen Gesamtverzerrung.

  • Busspezifische Grenzwertprüfungen führen zu besseren Maßnahmen zur Risikominderung als eine reine Überprüfung auf Geräteebene.

Frequenzscans helfen bei der Vorabprüfung, zeigen jedoch nicht, wie Wechselrichter, Kabelimpedanz, Transformatoren und Steuerungen im Laufe der Zeit zusammenwirken. Solar- und Batteriespeicher wurden so ausgelegt, dass sie 81 % der neuen Erzeugungskapazität im Großmaßstab im Jahr 2024 ausmachen sollen, sodass immer mehr Zuleitungen mittlerweile Schaltgeräte enthalten, die nicht-sinusförmigen Strom einspeisen. Eine aussagekräftige Netzqualitätsanalyse modelliert die Schaltquelle, den Zuleitungsweg und den Messbus, der zur Einhaltung von Vorschriften oder zur Fehlerbehebung verwendet wird. Auf diese Weise berechnen Sie die gesamte harmonische Verzerrung in einem Modell, dessen Ergebnisse mit den tatsächlichen Bedingungen an den angeschlossenen Geräten übereinstimmen.

„Zeitbereichsanalysen zeigen, wann verzerrter Strom an einem Sammelschienensystem zu verzerrter Spannung wird.“

Zeitbereichsanalysen zeigen, wann harmonische Verzerrungen tatsächlich entstehen

Zeitbereichsanalysen zeigen, wann verzerrter Strom an einem Sammelschienensystem zu verzerrter Spannung wird. Schaltvorgänge, Steuerungen und die Impedanz der Abzweigleitung werden in derselben Simulation berücksichtigt. Ursache und Wirkung bleiben sichtbar. Dadurch lässt sich dem Ergebnis leichter vertrauen, wenn mehrere Geräte an eine Abzweigleitung angeschlossen sind.

Betrachten wir eine Stromversorgung mit zwei aktiven Frontends und einem Sechs-Puls-Gleichrichter. Jede Last mag für sich genommen akzeptabel erscheinen. Die gemeinsame Quellenimpedanz kann jedoch deren Stromoberwellen zu einem Problem für die Busspannung machen, wenn alle drei gleichzeitig in Betrieb sind. Ein Frequenzscan zeigt zwar Resonanzpunkte an, gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, wie sich Einstellvorgänge und das Schalten von Kondensatoren im Laufe der Zeit auf die Wellenform auswirken.

Dieser Zeitpunkt ist von Bedeutung, da Probleme mit der Netzqualität oft zustandsabhängig sind. Beim Anlaufen und bei geringer Last können schlechtere Wellenformen auftreten als im späteren stationären Betrieb. Auch eine sprunghafte Änderung der Umrichterleistung kann das Spektrum verschieben. Wenn Sie wissen möchten, was Probleme mit der Netzqualität in einer Zuleitung verursacht, benötigen Sie sowohl die Sequenz als auch das Spektrum.

Die Impedanz der Zuleitung bestimmt, ab welchem Punkt die Oberschwingungen des Umrichters zu Spannungsverzerrungen führen

Die Impedanz der Zuleitung entscheidet darüber, wo Oberschwingungsströme zu einem Problem der Spannungsverzerrung werden. Derselbe Umrichter kann an einer starren Quelle harmlos erscheinen, an einer schwachen Zuleitung jedoch Probleme verursachen. Jeder Oberschwingungsstrom verursacht einen Spannungsabfall entlang des Netzpfades. Deshalb spielt die Lage der Sammelschiene bei der Oberschwingungsanalyse eine wichtige Rolle.

Eine kurze Zuleitung, die an einen großen Transformator angeschlossen ist, hält die Spannungsform am Sammelschienenanschluss in der Regel besser aufrecht als eine lange Kabelstrecke mit einem kleineren vorgeschalteten Transformator. Eine nahegelegene Kondensatorbank kann zudem eine bestimmte Oberschwingungsordnung verstärken. Der an den Wandlerklemmen gemessene Strom gibt darüber keinen vollständigen Aufschluss. Die entscheidende Frage ist, welche Werte nahegelegene Motoren, Relais und empfindliche Verbraucher an ihrer eigenen Sammelschiene vorfinden.

Viele Modelle übersehen diesen Punkt, da das vorgelagerte Netz auf eine ideale Quelle mit einfacher Induktivität reduziert wird. Diese Vereinfachung lässt die Quellenstärke und lokale Resonanz außer Acht. Hier spielen Transformator-Streuinduktivität, Kabelkapazität und Korrekturkondensatoren eine Rolle. Die Grenzwerte für harmonische Verzerrungen werden an den Sammelschienen überprüft, daher muss Ihr Netzmodell die Sammelschienenspannung erklären und nicht nur den Strom der einzelnen Geräte.

Erstellen Sie das Modell rund um den Bus, für den Einschränkungen gelten

Die richtige Modellgrenze beginnt an der Sammelschiene, an der Sie die Konformität beurteilen oder die Belastung der Anlagen diagnostizieren müssen. Oberschwingungsanalysen werden übersichtlicher, wenn diese Sammelschiene zuerst festgelegt wird. Nahegelegene Sammelschienen dienen dann als unterstützende Messpunkte. Die Zuleitungselemente zwischen ihnen definieren den Verzerrungspfad.

Ein Pflanzenversorgungssystem veranschaulicht, warum dies so ist. Wenn Beschwerden von einer Motorsteuerzentrale eingehen, werden bei Messungen, die ausschließlich am Netzeinspeisepunkt vorgenommen werden, Verzerrungen übersehen, die stromabwärts des Transformators entstehen. Ein Campus-Mikronetz kann dasselbe Problem aufweisen. Die Schnittstelle zum Energieversorger kann einwandfrei erscheinen, während eine lange Sekundärzuleitung bei hoher Belastung des Umrichters eine hohe harmonische Gesamtverzerrung aufweist.

• Wählen Sie den Bus aus, für den die Einschränkungen oder Beschwerden tatsächlich gelten.
• Berücksichtigen Sie die Quellleistung aus dem vorgelagerten Netz sowie die Transformatorendaten.
• Stellen Sie Zuleitungsabschnitte dar, die eine nennenswerte Impedanz zwischen den Bussen bewirken.
• Fügen Sie Kondensatorbänke oder Filter hinzu, die in der Nähe des überwachten Standorts angeschlossen sind.
• Führen Sie die Betriebszustände aus, die diesen Bus am stärksten belasten

Diese Struktur sorgt dafür, dass die Untersuchung zielgerichtet bleibt. Man entwickelt nicht das gesamte System, nur um der Vollständigkeit willen. Man entwickelt nur den Teil des Systems, der ausreicht, um die Wellenform an dem entscheidenden Bus zu erklären. Diese Vorgehensweise sorgt auch dafür, dass die Maßnahmen zur Fehlerbehebung auf den richtigen Bereich beschränkt bleiben.

Modellieren Sie jede nichtlineare Last unter Berücksichtigung der relevanten Schaltdetails

Nichtlineare Lasten erfordern eine ausreichende Schaltgenauigkeit, um den Stromverlauf nachzubilden, der die Verzerrung in der Zuleitung verursacht. Es ist nicht erforderlich, für jedes Gerät die gleiche Genauigkeit zu gewährleisten. Es ist jedoch notwendig, dass jede wesentliche Quelle in dem Maße berücksichtigt wird, in dem sie die Einspeisung von Oberschwingungsströmen beeinflusst. Diese Entscheidung bestimmt die Qualität des endgültigen Spektrums.

Elektromotorsysteme machen etwa 45 % des weltweiten Stromverbrauchs, und viele nutzen mittlerweile leistungselektronische Antriebe, die die Stromwellenformen verändern, anstatt einen gleichmäßigen Sinusstrom zu beziehen. Ein Sechs-Puls-Gleichrichter für einen Gleichstromantrieb sollte nicht auf eine statische Leistungssenke reduziert werden, wenn Sie Stromverzerrungen untersuchen. Ein PWM-Wechselrichter, der mit einem Filter und einem Regelkreis verbunden ist, benötigt ebenfalls mehr als eine gemittelte Quelle, wenn es um die Wechselwirkung mit dem Versorgungsnetz geht. Das Modell muss die Wellenformmerkmale beibehalten, die den Oberwellenanteil bestimmen.

SPS SOFTWARE eignet sich für diesen Schritt, wenn Sie transparente Wandler- und Netzwerkmodelle benötigen, die Sie überprüfen und optimieren können. Dies ist bei gemischten Zuleitungen mit mehreren nichtlinearen Lasten von Bedeutung. Ein Gerät kann mit Mittelwertbildung für den Leistungsfluss modelliert werden, während ein anderes eine explizite Schaltung erfordert, um die Verzerrung zu reproduzieren, die die Sammelschienenspannung beeinflusst. Das sinnvolle Ziel ist es, genau den Punkt zu ermitteln, an dem die Verzerrung beginnt.

Wählen Sie eine Abtastzeit, die die Welligkeit des Wandlers korrekt erfasst

Die Abtastzeit muss kurz genug sein, um die Schaltwelligkeit und die Kommutationsmerkmale, die Oberschwingungen verursachen, aufzulösen. Ein grober Schritt glättet die Wellenform, bevor die Analyse beginnt. Dieser Fehler wird direkt in das Spektrum übertragen. Die gesamte harmonische Verzerrung wird dann von Anfang an verzerrt.

Ein mit 5 kHzschaltender Umrichter lässt sich mit einem Zeitschritt, der jeden Zyklus nur knapp abdeckt, nicht gut abbilden. Bei einem linienkommutierten Gleichrichter gelten andere Anforderungen, da Überlappungen und Stromspitzen die Verzerrung dominieren. Ihr Zeitschritt sollte dem schnellsten Ereignis entsprechen, das den Messbus beeinflusst. Die Grundfrequenz des Netzes allein reicht für diese Wahl nicht aus.

Eine gute Abtastpraxis spart später Zeit. Ein falscher Schritt kann dazu führen, dass alle nachfolgenden Diagramme zwar präzise aussehen, aber denselben Fehler enthalten. Harmonische Analysen sind in dieser Hinsicht gnadenlos. Die Solver-Einstellungen gehören in die elektrische Analyse, nicht daneben.

Führen Sie die Steady-State-Messungen lange genug durch, um saubere Spektren zu erhalten

Die Zeitfenster für die stationäre Analyse müssen die Anlaufphase ausschließen und genügend eingependelte Zyklen umfassen, um ein sauberes Spektrum zu erhalten. Die Oberwellen werden anhand einer ausgewählten Zeitreihe gemessen. Die Länge und die Platzierung der Zeitreihe beeinflussen das Ergebnis unmittelbar. Ein schlecht gewähltes Zeitfenster verzerrt ein gutes Modell.

Ein häufiger Fehler besteht darin, die ersten paar Zyklen nach Erreichen des Referenzwerts durch den Umrichter zu erfassen und diese Wellenform direkt einer FFT zuzuführen. Die Regelkreise können sich zu diesem Zeitpunkt noch einpendeln. Die Zwischenkreisspannung kann noch schwanken. Ein besserer Arbeitsablauf besteht darin, das System vollständig einpendeln zu lassen und anschließend eine ganzzahlige Anzahl relevanter Netzzyklen aus der Busspannung und dem Gerätestrom zu extrahieren.

Die Länge des Zeitfensters hängt auch davon ab, was Sie erkennen möchten. Kurze Aufzeichnungen eignen sich für eine schnelle Überprüfung, verwischen jedoch dicht beieinander liegende Komponenten und verbergen langsame Modulationseffekte. Längere Aufzeichnungen liefern klarere harmonische Bins und stabilere Ergebnisse. Wenn sich das Spektrum verschiebt, wenn Sie das Zeitfenster verschieben, war das System noch nicht stabilisiert oder die Aufzeichnung war zu kurz.

Berechnung der harmonischen Gesamtverzerrung anhand von Spannungs- oder Stromkurven

Die harmonische Gesamtverzerrung wird anhand einer stationären Wellenform berechnet, nachdem die harmonischen Effektivwertkomponenten extrahiert wurden. Bei der Standardberechnung wird die quadratische Mittelwertsumme aller harmonischen Komponenten oberhalb der Grundschwingung herangezogen. Dieser Wert wird durch den Effektivwert der Grundschwingung dividiert. Das Ergebnis wird anschließend mit 100 % multipliziert.

Die harmonische Gesamtverzerrung der Spannung und die harmonische Gesamtverzerrung des Stroms geben Aufschluss über unterschiedliche Aspekte. Die Spannungsverzerrung gibt Auskunft darüber, welche Werte an den angeschlossenen Geräten an einer Sammelschiene anliegen. Die Stromverzerrung gibt Aufschluss darüber, welche Werte ein Umrichter oder eine nichtlineare Last in das Netz einspeist. Ein Front-End-Antrieb kann bei einem stabilen System eine hohe Stromverzerrung aufweisen, während die Versorgungsspannung im akzeptablen Bereich bleibt, und bei einer schwachen Zuleitung die Sammelschienenspannung über den Grenzwert hinaus treiben.

Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie genau angeben, wie der Wert ermittelt wurde. Halten Sie den Messbus, den Betriebszustand, die Aufzeichnungslänge und den bei der Berechnung verwendeten Oberwellenbereich fest. In manchen Studien werden zudem die einzelnen Oberwellenamplituden benötigt, da eine bestimmte störende Ordnung eine Resonanz anregen oder einen Filterzweig überhitzen kann. 

„Die Zahl ist wichtig, und die ihr zugrunde liegende Wellenform ist ebenfalls wichtig.“

Überprüfen Sie die Oberwellengrenzwerte für jeden Bus einzeln, bevor Sie Korrekturmaßnahmen festlegen.

Bevor Sie sich für eine Abhilfemaßnahme entscheiden, sollten Sie die Grenzwerte für harmonische Verzerrungen an jedem relevanten Sammelschienenpunkt überprüfen. Dieser Ansatz unterscheidet zwischen harmlosem eingespeistem Strom und schädlichen Verzerrungen der Sammelschienenspannung. Außerdem wird die Untersuchung so auf den tatsächlich relevanten Ort beschränkt. Wirksame Abhilfemaßnahmen beginnen mit der Auswahl der richtigen Sammelschiene und des richtigen Betriebszustands.

Ein gemeinsamer Anschlusspunkt des Versorgungsnetzes, eine Hauptsammelschiene einer Anlage und eine empfindliche Sekundärsammelschiene können unter denselben Lastbedingungen unterschiedliche Ergebnisse aufweisen. Eine Sammelschiene kann die Spannungsgrenzwerte einhalten, während eine andere diese überschreitet, da die lokalen Impedanzen und die Anordnung der Kondensatoren unterschiedlich sind. Aus diesem Grund hängen die Grenzwerte für Oberschwingungsverzerrungen und deren Überprüfung stets vom Standort, dem Betriebszustand und der Messmethode ab. Sie beurteilen das Netzverhalten dort, wo die Geräte es tatsächlich wahrnehmen.

Eine sorgfältige Untersuchung im Zeitbereich führt in der Regel zu einem aussagekräftigeren Ergebnis als eine schnelle Überprüfung. Man erkennt, welche Quelle dominiert, welcher Sammelschienenstrang von Bedeutung ist und welcher Betriebszustand das Problem auslöst. SPS SOFTWARE ist in diesem abschließenden Schritt unverzichtbar, da transparente Modelle von Einspeisungen und Umrichtern es erleichtern, einen Filter zu testen, eine Kondensatorbank zu verlegen oder die Reglereinstellungen mit Sicherheit anzupassen. Eine fundierte Analyse der Netzqualität basiert auf einer disziplinierten Modellierung, gefolgt von sammschienenspezifischen Überprüfungen.